6.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕФОНОВ И ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

Для электромагнитного способа преобразования коэффициент электромеханической связи где постоянная индукция в зазоре между полюсными наконечниками (2) и якорем (диафрагмой); толщина этого зазора; его сечение; — число витков катушки, надетой на магнитопровод (см. рис. 5.6 б, § 4.4 и 5.3). Частотная характеристика чувствительности электромагнитного громкоговорителя, под которой понимают отношение развиваемого им на расстоянии по его оси звукового давления к подводимому к нему напряжению, может быть выражена как

Здесь плотность воздуха; площадь диффузора; электрическое сопротивление громкоговорителя; механическое сопротивление его подвижной системы (якорь с диффузором). Приведенное выражение справедливо только для поршневого диапазона, верхняя граница которого Предполагается далее, что громкоговоритель колеблется в бесконечной стене и излучение его ненаправленно.

Если нижней граничной частотой, воспроизводимой этим громкоговорителем, считать его резонансную частоту, то где масса подвижной системы. Электрическое сопротивление этого громкоговорителя имеет индуктивный характер, откуда где индуктивность громкоговорителя. При сделанных допущениях

Как видно, даже в пределах поршневого диапазона чувствительность падает с частотой. Эта тенденция в известной степени компенсируется тем, что с повышением частоты направленность обостряется и, таким образом, излучение концентрируется на оси. Чувствительность громкоговорителя еще больше падает ниже частоты резонанса механической системы из-за того, что механическое сопротивление, имея упругий характер, увеличивается с понижением частоты, а выше поршневого диапазона из-за того, что при повышении частоты диффузор перестает колебаться как целое. Кроме того, электромагнитной системе свойственны большие, в том числе специфические для нее, нелинейные искажения по второй гармонике, обусловленные тем, что сила притяжения якоря (диафрагмы) пропорциональна не индукции, а ее квадрату. С этим борются наложением постоянного потока на

переменный магнитный и применением дифференциальной конструкции.

Неблагоприятен и тот факт, что электрическое сопротивление громкоговорителя сильно зависит от частоты

Таким образом, качественные показатели электромагнитного громкоговорителя неудовлетворительны. Этим объясняется то, что громкоговорители данного вида в настоящее время повсеместно вышли из употребления. Электромагнитные же телефоны остались довольно широко распространенными из-за своей простоты и прочности. Частотные искажения в них меньше, чем в громкоговорителях, так как диафрагма колеблется как поршень. А так как их применяют только для передачи речи, то и требования к ним менее жесткие, чем для передачи художественных программ.

В диапазоне низких частот, где параметры механической системы телефона, а также параметры механического сопротивления, которое ухо оказывает приложенному к нему телефону, можно считать сосредоточенными, чувствительность последнего выражается в виде

где, помимо введенных выше обозначений, электрическое сопротивление телефона, механическое сопротивление его подвижной системы; гибкость воздуха в объеме под диафрагмой с площадью телефона, приложенного к уху.

Как видно, чувствительность телефона будет частотно-независимой, если его механическое сопротивление чисто упругое а электрическое — активное. Если первое достижимо путем расположения резонанса диафрагмы выше воспроизводимого диапазона, то второе условие обеспечить нельзя, поскольку электрическое сопротивление телефона индуктивно. Таким образом, чувствительность телефона по напряжению частотно-зависима, а по отдаче мало зависит от частоты, если внутреннее сопротивление выходного каскада усилителя или линии активное и равно модулю сопротивления телефона на частоте 1000 Гц.

Подавляющее число типов громкоговорителей и многие типы телефонов построены на основе использования магнитоэлектрического принципа преобразования, получившего в электроакустике наименование электродинамического.

Исходя из формулы для электродинамической системы коэффициент электромеханической связи где В — индукция постоянного потока в воздушном зазоре 1 магнитной цепи; длина проводника катушки 3 (см. рис. 5.6, в, § 4.4 и 5.3).

Коэффициент полезного действия и стандартное звуковое давление (давление на расстоянии от громкоговорителя по направлению его рабочей оси при подведении мощности для громкоговорителя, диффузор которого колеблется в бесконечной стене, могут быть выражены соответственно:

Здесь помимо введенных выше обозначений, электрическое активное сопротивление громкоговорителя; масса подвижной системы громкоговорителя; V — объем проводника звуковой катушки; удельное электрическое сопротивление проводника звуковой катушки.

Эти выражения справедливы в диапазоне частот, нижняя граница которого — резонансная частота, а верхняя — нижняя граница поршневого диапазона, равная, как уже упоминалось, Ниже резонансной частоты звуковое давление и КПД очень сильно убывают. Выше диффузор перестает колебаться как целое и части его колеблются с разными фазой и амплитудой. Поэтому звуковое давление от него то увеличивается на тех частотах, где вся или большая часть поверхности диффузора и подвеса колеблется синфазно, то уменьшается, когда части поверхности диффузора и подвеса колеблются противофазно.

Рассмотрим особенности работы диффузора широкополосной головки громкоговорителя на различных частотах. В области низких частот скорость изменения фазы сигнала в звуковой катушке меньше скорости распространения механического возбуждения в материале диффузора и последний ведет себя как единое целое, т. е. колеблется как поршень. На этих частотах частотная характеристика громкоговорителя имеет гладкую форму, что свидетельствует об отсутствии парциального возбуждения отдельных участков диффузора.

Обычно разработчики головок громкоговорителей стремятся расширить область поршневого действия диффузора в сторону высоких частот путем придания специальной формы образующей конуса. Для правильно сконструированного целлюлозного диффузора область поршневого действия может быть приблизительно определена как длина волны звука, равная длине окружности диффузора в основании конуса. На средних частотах скорость изменения фазы сигнала в звуковой катушке превышает скорость распространения механического возбуждения в материале диффузора и в нем возникают волны изгиба, диффузор уже не колеблется как единое целое. На этих частотах показатель затухания механических колебаний в материале диффузора еще недостаточно велик и колебания, достигая диффузородержателя, отражаются от него и распространяются по диффузору обратно в сторону звуковой катушки.

В результате взаимодействия прямых и отраженных колебаний в диффузоре

возникает картина стоячих волн, образуются участки с интенсивным противофазным излучением.

При этот на частотной характеристике наблюдаются резкие нерегулярности (пики и провалы), размах которых может достигать у неоптимально сконструированного диффузора десятка децибел.

На высоких частотах показатель затухания механических колебаний в метериале диффузора возрастает и стоячие волны не образуются. Вследствие ослабления интенсивности механических колебаний, излучение высоких частот происходит преимущественно областью диффузора, прилегающей к звуковой катушке. Поэтому для увеличения воспроизведения высоких частот применяют рупорки, скрепленные с подвижной системой головки громкоговорителя. Для уменьшения неравномерности частотной характеристики в массу для изготовления диффузоров головок громкоговорителей вводят различные демпфирующие (увеличивающие затухание механических колебаний) присадки. Что касается нелинейных искажений, то основными причинами их являются: во-первых, нелинейная зависимость деформации (сжатия и растяжения) подвеса диффузора и центрирующей шайбы от приложенной силы; во-вторых, неоднородность магнитного поля в воздушном зазоре, так как магнитная индукция больше в середине зазора и меньше у краев. А это, в свокх очередь, приводит к тому, что при одной и той же величине тока в звуковой катушке сила, действующая на нее, различна в зависимости от того, вся ли катушка или часть ее находится внутри зазора. В первом случае витки катушки пронизываются полным магнитным потоком забора, во-втором — лишь частью его. Таковы причины нелинейных искажений громкоговорителей в области низких частот, области основного резонанса подвижной системы, где они достигают своего максимума вследствие максимальных амплитуд колебаний диффузора. На средних и высоких частотах искажения обусловлены другими причинами, поскольку амплитуда колебаний диффузора здесь ничтожна и измеряется десятыми долями миллиметра.

- Одной из причин нелинейных искажений является нелинейное взаимодействие тока звуковой катушки с металлическими деталями магнитопровода — керном и верхним фланцем (см. рис. 6.15, а). В этих деталях, расположенных вблизи звуковой катушки, возникают токи Фуко, которые, в свою очередь, наводят ЭДС в звуковой катушке. Из-за свойства металла деталей магнитопровода это взаимодействие имеет нелинейный характер. Методы борьбы с токами Фуко известны и могу например, заключаться в уменьшении электрической проводимости частей деталей магнитопровода, прилегающих к звуковой катушке. Два других вида искажений, которые, строго говоря, нельзя называть нелинейными, связаны со свойствами материала диффузора.

При существующей методике измерения нелинейных искажений, когда подавляется излучаемый громкоговорителем основной тон и регистрируются все остальные тоны, такие искажения квалифицируются как нелинейные. Искажения первого типа являются следствием возбуждения в материале диффузора так называемого структурного, призвука, имеющего более или менее равномерный спектр. Такие искажения наиболее значительны в недостаточно демпфированном диффузоре и возникают как отклик на механическое возбуждение, источником которого является звуковая катушка. Этот вид искажений придает звучанию громкоговорителя характерную тональную окраску, свойственную громкоговорителю данного типа. Искажения второго типа зависят от интенсивности стоячих волн, возникающих в диффузоре, причина появления которых рассмотрена выше. Интенсивные стоячие волны приводят к образованию участков диффузора, способных излучать звук на собственных частотах. Излучения участков диффузора также квалифицируются как нелинейные искажения, и они могут в несколько раз превышать первый тип искажений. Отсюда становится очевидным путь борьбы с такими искажениями, заключающийся в снижении интенсивности отраженной от диффузородержателя составляющей механических колебаний и обеспечения режима бегущей волны в диффузоре. Диффузоры высококачественных головок громкоговорителей обычно выполняют с подклеенным верхним подвесом и воротником, изготовляемыми отдельно из метариала с большим показателем затухания механических колебаний. Такие головки имеют более высокую стоимость и менее технологичны в производстве по сравнению с массовыми головками громкоговорителей, диффузор которых изготовляют вместе с верхним подвесом и воротником. Другой недостаток головок с подклеенным верхним подвесом — более низкая их чувствительность, обусловленная меньшей радиальной жесткостью подклеенного подвеса и возникающей опасностью затирания звуковой катушки в зазоре. Эта опасность вынуждает разработчиков применять более широкий воздушный зазор с соответствующим снижением индукции магнитного поля. Причиной затирания звуковой катушки является спиралевидная форма намотки ее витков и связанная с ней тангенциальная составляющая силы Лоренца. У низкочастотных головок громкоговорителей применение особо гибкого верхнего подвеса позволяет, помимо ослабления отраженных от диффузородержателя механических колебаний, получать более низкую резонансную частоту. Для массовых широкополосных и среднечастотных головок громкоговорителей снижение интенсивности отраженных от диффузородержателя составляющих и обеспечение режима бегущей волны могут быть достигнуты нанесением вибропоглощающей незасыхающей мастики на часть верхнего подвеса, не входящую в динамическую массу диффузора. Действие нанесенного слоя мастики, как и подклеенного подвеса, заключается в том, что пропитанный мастикой

участок верхнего подвеса значительно изменяет свои свойства, в результате чего резко возрастают потери для распространяющихся в направлении диффузородержателя механических колебаний. Нанесение вибропоглощающей мастики позволяет значительно уменьшать неравномерность частотной характеристики в области средних частот и понижать искажения головок громкоговорителей.

Для повышения эффективности громкоговорителей вместо катушек из медного провода делают их из алюминиевого, что позволяет уменьшать массу подвижной системы — такие легкие катушки применяют преимущественно для малогабаритных широкополосных, а также для среднечастотных и высокочастотных головок громкоговорителей. С целью дальнейшего повышения КПД применяют также намотку звуковых катушек проводом не круглого, а прямоугольного сечения. Увеличение эффективности обусловлено увеличением объема проводника в зазоре магнитной системы.

Наиболее эффективным способом расширения диапазона воспроизводимых частот является разделение его на части с тем, чтобы каждая из этих частей воспроизводилась отдельной головкой громкоговорителя, большей по размерам для низкочастотной области и меньшей для высокочастотной. Подключают эти головки через так называемые разделительные фильтры, обеспечивающие попадание на даннуюголовку напряжения только тех частот, для воспроизведения которых она предназначена. Выбор частот раздела, а также крутизны разделительного фильтра существенно влияют на качество звучания громкоговорителя. Поэтому при конструировании акустических систем субъективная оценка качества звучания является основным критерием передачи их в производство. Качество звучания акустической системы [6.7] должно быть не хуже образца по качеству звучания, утвержденного в установленном порядке, для каждой группы сложности. Качество звучания проверяется по

Телефоны, построенные на электродинамическом способе преобразования, распространены меньше электромагнитных. Их основное назначение — прослушивание стереофонических передач и контроль при киносъемках и, звукозаписи. По конструкции они разделяются на диффузорные и капсюльные. В первых основой конструкции является небольшой диффузорный громкоговоритель, заключенный в корпус; во-вторых — небольшая магнитная система с подвижной катушкой и куполообразной диафрагмой.

Качество звучания капсюльных телефонов выше, чем диффузорных, и их удается изготовлять очень миниатюрными (при сохранении высокого качества звучания). В качестве примера можно привести основные параметры микроминиатюрных телефонов типа ТДС-22. При диаметре корпуса и массе постоянного магнита всего эти телефоны обеспечивают воспроизведение полосы частот 20 Гц и чувствительность на частоте

Как следует из выражения для чувствительности телефона, приведенного выще, для получения равномерной частотной характеристики электродинамического телефона механическое сопротивление его подвижной системы также должно быть упругим, поскольку электрическое сопротивление активное. Качественные показатели электродинамических телефонов значительно лучше, чем у электромагнитных. Они дают более равномерную частотную характеристику и меньшие нелинейные искажения.

Из-за незначительного сопротивления излучения диффузора (вследствие малости его размеров но сравнение с длиной излучаемой волны) КПД диффузорного громкоговорителя невелик. Применение рупора, сопротивления излучения которого значительно больше, позволяет существенно увеличить КПД.

Коэффициент полезного действия рупорного громкоговорителя с акустической камерой

где поверхность диафрагмы; входное отверстие рупора. Однако эта формула справедлива для диапазона частот, более узкого по сравнению с диапазоном диффузорного громкоговорителя. Дело в том, что резонансная частота подвижной системы у рупорного громкоговорителя существенно выше, так как для стабильности его работы приходится делать подвес более жестким. На высоких частотах начинают заметно влиять гибкость воздуха в акустической камере, как бы шунтирующая сопротивление излучения, и интерференция колебаний от различных частей диафрагмы, достигающих горла рупора с разными фазами вследствие различной длины пути их прохождения. Правда, с этим борются, вставляя в камеру так называемый противоинтерференционный вкладыш, в значительной степени выравнивающий эти пути.

Из-за перечисленных причин воспроизводимый рупорным громкоговорителем частотный диапазон довольно узок. Но и внутри его частотная характеристика неравномерна.

Существенный недостаток рупорного громкоговорителя в том, что его характеристика направленности сильно зависит от частоты. Являясь тупой на низких частотах, она обостряется к высоким. Поэтому в любом направлении, отличном от осевого, наблюдается дополнительный спад высоких частот, что отрицательно сказывается, например, на артикуляции при воспроизведении речи.

Что касается нелинейных искажений, то ко всем причинам указанным для диффузорных громкоговорителей, прибавляются еще специфические для рупорных. Они заключаются в том, что поскольку в акустической камере имеет место очень большое звуковое давление, то тут начинает сказываться

нелинейность самого воздуха, находящегося в ней. А это проявляется в виде дополнительных искажений.

Таким образом, рупорный громкоговоритель обладает рядом существенных недостатков. Достоинство же его — сравнительно большой что делает целесообразным его применение там, где необходимы высокий уровень громкости воспроизведения или работа на большие расстояния.

Характерной и имеющей важное значение для работы электродимнамических громкоговорителей и телефонов является частотная зависимость их электрического сопротивления (рис. 6.1). На низких частотах, это, по существу, активное сопротивление катушки. На частоте резонанса подвижной системы сопротивление громкоговорителя на рис. 6.1) или телефона сильно возрастает ввиду увеличения вносимого сопротивления (механическое сопротивление сильно уменьшается). Далее оно падает из-за того, что наступает электромеханический резонанс индуктивного сопротивления катушки с емкостным сопротивлением вносимого сопротивления

и, наконец, к высоким частотам доминирующим становится упомянутое уже индуктивное сопротивление катушки.

Следует назвать еще один принцип преобразования, используемый в конструкциях телефонов и громкоговорителей, — электростатический (рис. 6.2). Принцип действия их в дифференциальном варианте заключается в том, что между двумя перфорированными пластинами 2, являющимися неподвижными электродами, располагается подвижный электрод 1 обычно в виде металлизированной пленки. На подвижный электрод подаются переменное напряжение от источника токов звуковой частоты и постоянное напряжение, в несколько раз большее переменного, что необходимо как для повышения чувствительности (см. ниже формулу для нее), так и для уменьшения специфических для электростатического способа преобразования нелинейных искажений по второй гармонике. В зависимости от мгновенной полярности по переменному напряжению подвижный электрод притягивается то к одному, то к другому неподвижному электроду. Получаемые таким образом колебания через перфорации неподвижных электродов возбуждают окружающую воздушную среду.

Электростатический способ преобразования применяют также и в телефонах. Электростатические громкоговорители большей частью выполняют как системы, непосредственно излучающие в среду. Значительно реже применяются. электростатические рупорные громкоговорители.

Применение электростатических телефонов ограничиваются сложностью их конструкции и высокой ценой.

Для электростатических преобразований коэффициент электромеханической связи

где напряжение поляризации; ширина зазора между подвижными и неподвижными электродами.

Чувствительность громкоговорителя, если он работает в режиме постоянного напряжения:

Здесь механическое сопротивление подвижной системы (подвижного электрода); ее поверхность; С — электрическая емкость громкоговорителя; удельное сопротивление среды (воздуха); удельное (на единицу поверхности) сопротивление излучения. подвижного электрода.

Из приведенного выражения видно, что звуковое давление может быть частотно-независимым, если:

а) сопротивление излучения и механическое сопротивление подвижного электрода также частотнонезависимы, что имеет место при геометрических размерах подвижного электрода, больших по сравнению с длиной волны излучаемого звука на низшей частоте воспроизводимого диапазона, а механическое сопротивление в основном активно;

б) геометрические размеры подвижного электрода малы по сравнению с длиной волны излучаемого звука на высшей частоте воспроизводимого диапазона, а механическое сопротивление инерционно, т. е. пропорционально частоте, что имеет место при расположении резонансной частоты ниже воспроизводимого диапазона. Однако построенный таким образом громкоговоритель будет иметь низкую чувствительность из-за малой поверхности подвижного электрода при малых размерах последнего. Для излучения достаточной акустической мощности необходимо, чтобы амплитуда колебаний подвижного электрода, особенно на низких частотах, была достаточно большой. Но для этого необходимо, чтобы был достаточно велик и зазор между подвижным и

Рис. 6.1. Зависимость модуля электрического сопротивления громкоговорителя от частоты резонансная частота, частота электромеханического резонанса, сопротивление постоянному току, сопротивление на частоте вносимое активное сопротивление

неподвижным электродами. Отсюда следует, что электростатический громкоговоритель малых размеров годится только для воспроизведения высоких частот. Для перекрытия широкого диапазона частот целесообразно применять многополосные громкоговорители, т. е. совокупность громкоговорителей, каждый из которых воспроизводит только часть диапазона частот, в границах которой удовлетворяется условие б). Поэтому для воспроизведения низких частот и всего диапазона в целом электростатические громкоговорители должны иметь большие площади, хотя толщина конструкции может быть сравнительно небольшой.

Что касается электростатических телефонов то из выражений для чувствительности телефона и для коэффициента электромеханической связи следует, что

а это при приводит к тому, что чувствительность телефона будет частотно-независимой только при условии, что механическое сопротивление телефона будет упругим, т. е. если раезонансная частота телефона выше воспроизводимого диапазона частот.

Преимущества электростатических громкоговорителей и телефонов в том, что они возбуждаются по всей поверхности подвижного электрода, благодаря чему все его точки колеблются синфазно, поршнеобразно, и он излучает всей поверхностью, что особенно важно при излучении высоких частот. Поэтому частотная характеристика электростатических громкоговорителей и телефона — весьма протяженна в сторону высоких частот по сравнению с характеристиками громкоговорителей и телефонов, построенных на других видах преобразования. Недостатками электростатических громкоговорителей и телефонов являются прежде всего, как уже упоминалось, специфические для них виды нелинейных искажений по второй гармонике, возникающие из-за того, что сила электростатического притяжения пропорциональна не приложенному к электродам напряжению, а его квадрату. Эти искажения могут быть сильно уменьшены путем применения напряжения поляризации и так называемой дифференциальной конструкции (см. рис. 6.2, а). Но последняя дает необходимый эффект только при высокой степени симметрии расположения подвижного электрода между неподвижными. Само собой разумеется, что должна соблюдаться и электрическая симметрия, т. е. равенство подаваемых в оба неподвижных электрода напряжений.

Не всегда удобно и то, что электростатический громкоговоритель для воспроизведения широкого частотного диапазона должен иметь большую излучающую поверхность. Это, кроме конструктивных неудобств, приводит к тому, что характеристика направленности такого громкоговорителя зависит от частоты, сильно обстряясь с ее повышением. Правда, с этим борются, составляя громкоговоритель из отдельных сравнительно узких панелей, располагаемых в горизонтальной плоскости (например, по дуге окружности).

Существенный недостаток электростатических громкоговорителей и телефонов также в том, что они являются для питающих их усилителей емкостной нагрузкой, сопротивление которой падает с частотой.

Довольно неудобна также во многих случаях необходимость в дополнительном источнике постоянного напряжения. Все это усложняет построение усилителя и требует применения специальных схем. Пример такой схемы питания электростатического громкоговорителя напряжениями поляризации и звуковой частоты представлен на рис. 6.2, б.

Рис. 6.2. Электростатический громкоговоритель: — конструкция: -диафрагма — неподвижные электроды источник поляризующего напряжения, расстояние между диафрагмой и неподвижным электродом пример схемы устройства его питания и поляризации: Диоды:

Еще одним недостатком электростатических громкоговорителей и телефонов является сравнительно низкая чувствительность, обусловленная ограниченной электрической прочностью воздуха , не позволяющей повышать действующие между электродами напряжения сигнала и поляризующее. Вместе с тем электростатические громкоговорители и телефоны обеспечивают очень высокое качество звучания, лишенное какой-либо окраски. Это обусловлено чрезвычайно малыми переходными искажениями легкой диафрагмы. У нас в стране выпускают широкополосную электростатическую акустическую систему основные технические характеристики которой приведены в табл. 6.9.

Появившиеся в последние годы электретные громкоговорители и телефоны имеют то преимущество перед электростатическими, что у них отпадает необходимость в источнике поляризующего напряжения, поскольку электроды несут на себе постоянный и довольно стабильный во времени электрический заряд.

Одним из других способов преобразования, используемых в громкоговорителях и телефонах, является также пьезоэлектрический, ставший перспективным благодаря появлению эффективных пьезоэлектрических пленок. Тут, естественно, не требуется напряжения поляризации. В остальном и электретные, и пьезоэлектрические громкоговорители, обладают в принципе теми же свойствами, что и электростатические.

Приведенные выше выражения для чувствительности и КПД громкоговорителей и телефонов позволяют установить требования к их подвижным системам, необходимые для получения равномерных частотных характеристик. Подвижные системы электромагнитных, электродинамических и малых емкостных (электростатических, электретных и пьезоэлектрических) громкоговорителей должны управляться массой, т. е. их резонансные частоты должны находиться ниже воспроизводимого диапазона частот. У больших емкостных громкоговорителей подвижные системы должны иметь частотно-независимое механическое сопротивление, т. е. желательно активное. Подвижные системы телефонов всех видов преобразования должны управляться упругостью, т. е. их резонансные частоты должны лежать выше воспроизводимого диапазона частот.

НАПРАВЛЕННОСТЬ

Направленность отдельных диффузных головок громкоговорителей не является явно выраженной ввиду малости поверхности излучения, хотя она и становится заметной в области высоких частот. Однако направленность начинает играть существенную роль, когда применяют системы, состоящие из совокупности громкоговорителей. К таким системам относятся, например, звуковые колонки, в которых несколько головок громкоговорителей располагается в виде одного или нескольких параллельных рядов. Устроенные таким образом звуковые колонки мало направлены в горизонтальной плоскости и сильно направлены в вертикальной. Эти свойства звуковых колонок полезны при их применении в системах звукоусиления и озвучения.

Направленность колонки в вертикальной плоскости может быть приближенно вычислена по формуле

где расстояние между центрами двух соседних громкоговорителей; число их в вертикальном ряду; I — вертикальная длина колонки (предполагается малой по сравнению с длиной волны излучаемого звука угол между нормалью к плоскости, в которой лежат диффузоры головок громкоговорителей, восстановленной в центре этой плоскости, и прямой, проведенной в вертикальной плоскости в точку наблюдения из этого же центра. Эта формула справедлива только для направленности в вертикальной плоскости.

Пространственная же характеристика определяется формулой

где угол между вертикальной плоскостью, проходящей через центр плоскости, в которой лежат диффузоры головок громкоговорителей, и перпендикулярной ей прямой, проведенной в точку наблюдения и лежащей в горизонтальной плоскости; ширина колонки в горизонтальной плоскости.

Приведенные формулы имеют ограничения, обусловленные тем, что на низких частотах они не учитывают взаимодействия головок громкоговорителей, а также эффекта дифракции из-за того, что головки колонки расположены не в бесконечной стене, а в корпусе конечных размеров. На высоких частотах расстояние начинает становиться сравнимым с длиной волны и даже большим ее. Следует учесть, что на частотах, где характеристика направленности становится многолепестковой.

Однако приближенно эти формулы и построенный на основе первой из них рис. 6.3 дают представление о направленности колонки.

Пример. Пусть требуется найти звуковое давление, развиэаемое звуковой колонкой длиной под углом 15° на частоте 690 Гц (в долях осевого давления). Длина волны, соответствующая частоте 690 Гц, приблизительно равна Отсюда

Рис. 6.3. Зависимость характеристики направленности линейного излучателя, колеблющегося в бесконечном экране, от отношения

По кривой с таким параметром (справа в среднем ряду) находим точку пересечения кривой с направлением 15° и отсчитываем по вертикальной оси значение относительного звукового давления 0,45.

В противоположность звуковым колонкам, где требуется обострить направленность для некоторых систем озвучения требуется, чтобы по крайней мере в горизонтальной плоскости направленность громкоговорителя отсутствовала, т. е. чтобы звуковое давление в горизонтальной плоскости в любом направлении от громкоговорителя в заданном расстоянии было одинаковым. Это требование удовлетворяется так называемыми радиальными громкоговорителями, где несколько головок громкоговорителей расположено по окружности в одной горизонтальной плоскости.

Задача, которую приходится решать в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, — не допустить по возможности обострения характеристики направленности в горизонтальной плоскости даже на высоких частотах во избежание их «пропадания» при слушании под углом к оси. С этой целью головки для воспр -произведения высоких частот располагают в горизонтальной плоскости по дуге круга.

В таком случае направленность в этой плоскости

где общее число головок громкоговорителей; диаметр дуги, по которой расположены головки; а — центральный угол между двумя соседними головками громкоговорителей. Для этого случая можно определить направленность и по рис. 6.4.

Пример. Пусть требуется найти звуковое давление, развиваемое группой головок громкоговорителей, расположенных по дуге с центральным углом 120° и хордой на частоте 750 Гц под углом 30° к оси группы в долях от звукового давления на последней. Диамегр такой группы Длина волны на частоте 750 Гц составляет также Отсюда По характеристике с этим параметром (справа в верхнем ряду группы в) находим точку ее пересечения с направлением 30° и отсчитываем на вертикальной оси значение: оно приблизительно равно 0,7.

Существуют и другие способы уменьшения направленности. Так, например, для тех акустических систем, где высокие частоты воспроизводятся рупорными громкоговорителями, рупоры выполняют так, что в осевом направлении внутри их устанавливают перегородки под углом друг к другу или же так устанавливают отдельные рупоры. Размеры этих рупоров невелики, так как они служат для излучения высоких частот.

Направленность рупорных громкоговорителей (с рупорами, построенными по экспоненциальному закону) может быть найдена с помощью экспериментально снятых характеристик, изображенных на рис. 6.5, где граничная длина волны рупора, т. е. длина волны на той критической частоте

к которой теоретически он начинает излучать; диаметр устья (выходного отверстия рупора) или диаметр круга, равновеликого по площади устью, если последнее не слишком вытянуто; отношение диаметра устья к длине волны излучаемого звука.

Пример, Пусть требуется найти звуковое давление, развиваемое рупорным громкоговорителем с рупором, диаметр устья которого составляет и рассчитан на критическую частоту 250 Гц на частоте 375 Гц под углом 45°. Граничная длина волны Отсюда Длина волны на частоте 375 Гц будет 343/ Отсюда Находим в горизонтальном ряду с пометкой 2 характеристику, соответствующую (первая слева), отсчитываем под углом 45° значение 0,6 от звукового давления на оси, что приблизительно будет искомой величиной.

Как можно видеть из рассмотрения рис. 6.3 направленные свойства звуковых колонок начинают проявляться на частотах, где отношение достигает единицы и на более высоких частотах. Исходя из размеров выпускаемых звуковых колонок это значит, что до частоты примерно 340 Гц они практически лишены направленных свойств даже в вертикальной плоскости. Известно, что в горизонтальной плоскости звуковые колонки имеют характеристику направленности, совпадающую с направленностью одиночной головки громкоговорителя, которая проявляет направленные свойства еще на более высоких частотах Гц). Такая особенность характеристики направленности обычных звуковых колонок приводит к снижению эффективности работы систем звукоусиления вследствие прямого попадания звука на мембрану микрофона и снижению разборчивости речи вследствие возбуждения интенсивной диффузной составляющей в помещении на низких частотах.

В то же время известная техническая, реализация однонаправленных (кардиоидных) звуковых колонок, направленные свойства которых на низких частотах формируются путем компенсации в тыльном полупространстве двух составляющих тыльного поля: тыльного излучения диффузоров головок громкоговорителей и части фронтального излучения диффузоров, дифрагирующей вокруг корпуса звуковой колонки в тыльное полупространство. С этой целью в задней стенке звуковой колонки монтируется специальный акустический фильтр, обеспечивающий фазовый сдвиг, пропорциональной частоте для тыльного излучения диффузоров головок громкоговорителей и реализующий условия компенсации двух составляющих тыльного поля. Приоритет в создании таких звуковых колонок принадлежит СССР и в скором времени они будут выпускаться серийно, а пока кардиоидные звуковые колонки выпускает завод «Беаг» в Будапеште Применение однонаправленных звуковых колонок позволяет повысить эффективность работы систем звукоусиления и улучшить разборчивость речи. При использовании на открытом воздухе кардиоидные звуковые колонки позволяют уменьшить помехи за пределами озвучиваемой зоны.